PIO介绍

RP2040的一个特殊的外设
它可以基于RP2040的设备上创建新的或者额外的硬件接口

假设以下场景：

• 场景一
• 你需要使用某些通讯接口，但是现在的外设满足不了你的需求
• 场景二
• 你需要使用某些接口，如单总线协议，VGA，DVI等，但是RP2040没有现存的外设

以上场景中，我们都可以通过PIO自定义创建我们需求的接口，来满足对应的需求

不同于软件模拟，PIO并不会占用内核时间

状态机

因为每个PIO有4个独立的状态机，可以实现超高速且可编程的输入输出

状态机可以理解为一个极简的内核，只能用于处理特定的指令实现实现特定的功能

RP2040有两个PIO块，每个块都有4个状态机和指令寄存器组成
它们可以独立地执行顺序程序来操作GPIO和传输数据
与通用处理器不同，PIO状态机高度专注于IO控制和精确的时钟控制

• 每个状态机都配备了一个32位PC寄存器，用于指向正在执行的指令地址
• 两个32位移位寄存器（ISR和OSR）
  
• 移位寄存器顾名思义数据能在其中移动
• 而且此处的移位寄存器可以与对应的先进先出存储器直接传输数据
  
• 先进先出存储器都可以英文缩写FIFO代替
• 两个32位的暂存寄存器，称之为X寄存器和Y寄存器
• 在接收和传输方向上各有4*32位总线FIFO
  • 可重构为8*32位单方向的FIFO，可以通过FIFO可以实现数据的推入或者拉出
• 一个16位整数，8位小数的小数时钟分频器
  • 输入时钟为系统时钟，最低可以将状态机时钟降低到系统时钟的65536分 之一
• DMA接口，持续吞吐量高达1字每系统时钟，若系统时钟为100Mhz，每秒最高吞吐量为100M字
• IRQ中断表示位,PIO总共有8个中断表示位，可以用于同步状态机或者其他用途
• 每个状态机都可以进行灵活的GPIO映射，映射方式有四种，分别为
  • 输入映射
  • 输出映射
  • 设置映射
  • 侧置映射
    
• 详细了解GPIO映射
• 首先我们需要知道映射寄存器都是32位的
• 如果让其一位对应着一个GPIO引脚，我们应该用32个GPIO引脚对应
  
• 即RP2040只有30个GPIO，我们应当假设其存在32个GPIO,也就是GPIO30和GPIO31，我们也可以戏称之为“消失的引脚”
  
• 输入映射
• 我们可以指定输入GPIO的初始引脚。这个初始引脚在PIO的输入映射中将会被视为引脚0，并将其他引脚按照顺序进行（循环）计数，这里就会遇到“消失的引脚”
  • 如果设定GPIO29为初始引脚也就是引脚0，然后依次递增
  • 经过GPIO30和GPIO31，引脚3也就是对应GPIO0

PIO指令详解

• JMP
• WAIT
• IN
• OUT
• PUSH
• PULL
• MOV
• IRQ
• SET

我们编写的PIO ASM指令会被编译器编译成对应的指令再交给PIO的状态机运行

PIO指令编码表

• 首先我们可以看到一条指令的长度为16位，高3位用于标识这条指令功能或者作用
• 12-8位则用于标识延迟或者侧置，7-0位则会根据指令的不同有不同的功能
• JMP指令的作用是将达到某些条件的情况下将程序跳转到指定地址
  • JMP指令有两个参数，分别是condition和 target
    • target:允许数值0-31，因为 PIO只有32条指令空间
    • condition：
      • !X OR !Y: X,Y寄存器为0
      • X-- OR Y–: X,Y寄存器减1大于0
      • X != Y: X不等于Y
      • PIN: 输入引脚为高电平
      • !(OSER):输入移位寄存器OSR为0
        

• WAIT指令的作用为在条件达成前等待
  • WAIT指令有三个参数，分别为Polarity极性 ，source源和Index指针
  • 极性是指等待目标出现0或者1
  • 源指对应等待的目标类型，可以为绝对GPIO，引脚映射后PIN和中断标志IRQ
  • 指针对应等待的目标编码
    
• IN指针指令的作用将数据存入ISR寄存器中
  • IN指令有两个参数为Source源, Bitcount位数
  • 源指对应读取数据的源类型
  • 位数对应着读取数据的位数
    
• OUT指令和IN指令功能相反，指令作用是将OSR输出到目标
• OUT指令有两个参数destination目标和Bitcount位数
• 目标对应着数据输出的目标
• 位数对应着输出位数
• 
• PUSH指令作用为将ISR内容推送到RX FIFO中并清空ISR
• 有两个参数 ，为满 和 阻塞
• 若为满为1，则ISR达到阈值，才可以进行推送
• 若阻塞为1且RX FIFO达到阈值，则会将数据推送到ISR寄存器中
• 否则会等待RX FIFO达到阈值，若为0则RX FIFO达不到阈值时，则不会进行推送
  -
• PULL指令的作用将TX FIFO数据读到OSR寄存器
• 有两个参数为 空 和 阻塞
• 若为空为1，则只有TXFIFO达到阈值，OSR才会接收TXFIFO的数据
• 其中阻塞和PUSH的阻塞一致
• 
• MOV指令的作用是将数据从源移动到目标寄存器中
  - 有三个参数 目标destination，源sourcr和操作Operation
  - 目标将数据写入的寄存器，可以为一下几种!

  需要注意的是，EXEC解码寄存器，其作用为从外部读取一条指令并执行，理论上是可以执行外部的PIO代码的
  - 源为数据来源，可以为一下几种
  

  操作有三种
  -

• IRQ指令的作用为设置或者清空中断标识
• 有3个参数： 选项 ， 中断标志位 和 REL
• 选项有一下几种
• 
• 中断标识可以为0-7
• 若REL存在则中断标识irq_num和状态机编码sm_num进行模4加法运算
• 若状态机2设置中断标识OX11，最后的中断值则为0X03
• 
• SET指令会将数据写入目标地址，通常用于控制设置映射引脚
• 参数 destination 目标地址
• 
• data 数据为写入的数据，这里只能为绝对值
• 

PIO语法详解

以上就是PIO ASM的9个指令，但是如果你看过PIO ASM的程序，你会发现指令后面还会跟着一些小尾巴
比如说方括号带着一个数字，这代表延迟

在正常程序中我们的每一条指令执行所需要时间为1个时钟周期
但往往我们需要等待或者不需要这么快的速度，这时候我们就需要进行这个延迟

• 现在有两种方法
  1. 使用一条无意义指令，这个指令将y寄存器的数值赋给y寄存器，这是一条没有意义的指令，但是他会占用状态机的一个时钟周期，还有个缺点，他会占用PIO的 指令空间，因为状态机的指令空间只能容纳32条指令，所以说不推荐这种用法
     
  2. 使用PIO ASM中的延迟特性
     这条指令会将PINS设置为1，之后延迟2个时钟周期，这就是PIO汇编的延迟特性

     当然延迟时间也是有特性的，最大的延迟时钟为31个时钟周期

• 侧置Side-set
• 我们可以在执行任何指令的同时改变被设置为侧置映射引脚，最多5个引脚
• 需要注意的是，侧置和延迟是共享指令的12-8位,所以说侧置和延迟是无法完美兼容的，但是可以根据你的需求进行设置
• 

例程

.program spi_tx_fast .side_set 1 loop: out pins, 1 side 0 jmp loop side 1 

该程序会模拟SPI发送数据的过程
其会不断地将OSR寄存器中的数值（依次）通过pins对应的引脚输出
与此同时，侧置引脚会不断地进行翻转
实现了两个时钟周期输出一位数据并输出时钟信号，使我们的程序更小更快

使用侧置功能时，我们还需要声明使用的侧置位数
这里我们使用一位侧置位数，他会占用侧置/延迟字段的高一位
意味着我们的延迟只能占用4位，也就是其数值范围为0-15

正常情况下，程序会从地址为0的指令开始运行，运行到地址为31的指令运行完成后，再从地址0的指令重复开始运行
下面这段程序将会将一个引脚设置为输出并循环输出占空比为50%且周期为4个时钟周期的方波
该程序的PC指针不会在0-31之间往复,所以说PIO引入了程序包装
通过程序包装可以告诉我们的状态机，从哪里结束并且从哪里重新开始

.program squarewave set pindirs, 1 ; Set pin to output again: set pins,1 [1]; Drive pin high and delay for one cycle set pins, 0 ; Drive pin low jmp again ; Set PC to label 'again' 

例程

 set pindirs, 1 ; Set pin to output .wrap_target set pins, 1 [1] ; Drive pin high and delay for one cycle set pins, 0 [1] ; Drive pin low and delay for one cycle .wrap 

以上大致就是PIO的内容，虽然还有些小细节，但是不妨碍我们使用

函数详解

【MicroPython】PIO有关函数详解

MicroPython引入了一个新的@rp2.Asm_pio装饰器和rp2.PIO类.

• PIO程序的定义和状态机的配置分为2个逻辑部分:
  1. 程序定义，包括使用了多少引脚，如果它们是in/out引脚。这在@rp2.asm_pio中定义。
  2. 程序，设置状态机的频率和绑定到哪个引脚。当设置一个状态机来运行特定的程序时，就会设置这些参数。

所有的程序配置(例如autopull)都是在@asm_pio装饰器中完成的,在状态机的构造函数中只需要设置频率和基础引脚。 只设置频率和基础引脚需要在StateMachine构造函数中设置。

@asm_pio装饰器

让其它函数不需要任何代码上的改动，增加额外的功能

@asm_pio( out_init=None, set_init=None, sideset_init=None, in_shiftdir=0, out_shiftdir=0, autopush=False, autopull=False, push_thresh=32, pull_thresh=32, fifo_join=0 ) 

• out_init :输出引脚初始化
• set_init :设置引脚初始化
• sideset_init :侧置引脚初始化
• 前三个引脚可以设置为rp2.PIN.OUT_HIGH 输出高电平

•  PIN.OUT_LOW 输出低电平 

• 需要注意的是MicroPython 是通过侧置引脚初始化来计算使用了多少个侧置引脚，并决定测置和延迟字段的结构
• in_shiftdir : 数据输入方向
• out_shiftdir:数据输出方向
• 以上决定了数据移动的方向
• 如输出情况下，数据向左移动，则OSR的高位先进行输出，若向右移动，则低位先进行输出
• autopush :自动推送，若开启，当ISR达到阈值，自动将ISR传输到RX-FIFO。
• autopull :自动拉取，若开启，当OSR达到阈值，自动将TX-FIFO传输到OSR。
• push_thresh :推送阈值
• pull_thresh :拉取阈值
• 字面意思，结合自动推送和自动拉取使用
• fifo_join ：fifo组合，指定一个FIFO，将另一个FIFO关闭并加入改FIFO，获取更深位数的FIFO.
• 如果我们指定TXFIFO，我们就会获得一个8位深度的TXFIFO（32bit*8)

rp2.StateMachine函数详解

MicroPython 使用PIO是以状态机为单位的，所以我们的函数都是围绕状态机的

• rp2.StateMachine.init(sm_id ,program, freq=-1, *, in_base=None, out_base=None, set_base=None, jmp_pin=None, sideset_base=None, in_shiftdir=None, out_shiftdir=None, push_thresh=None, pull_thresh=None)
  • sm_id:使用状态机ID，0-3为PIO0,4-7为PIO1
  • program:PIO运行程序（状态机运行程序）
  • freq：状态机运行频率，默认为系统时钟频率，
    • 时钟分频器的分配因子计算公式为“系统时钟频率/频率”，所以 可能存在轻微的舍入误差。
    • 最小可能的时钟分频器是系统时钟的 65536 分之一：所以在默认系统时钟频率 125MHz下，最小值为1908。
    • 要以较慢的频率运行状态机，需要使用“machine.freq()”降低系统时钟速度。
  • in_base：用于in()指令的第一个引脚
  • out_base：用于out()指令的第一个引脚
  • set_base：用于set()指令的第一个引脚
  • jmp_pin：用于jmp(pin, …)指令的第一个引脚
  • sideset_base：是用于侧置的第一个引脚。
  • in_shiftdir：ISR将移动的方向，可为PIO.SHIFT_LEFT或者PIO.SHIFT_RIGHT
  • out_shiftdir： OSR 将移动的方向，可为PIO.SHIFT_LEFT或者PIO.SHIFT_RIGHT
  • push_thresh：推送阈值
  • pull_thresh：拉取阈值
• StateMachine.active([value])
  • 获取或设置状态机当前是否正在运行。
  • 当value不为空时，设置状态机，反之获取运行状态。
• StateMachine.restart()
  • 重新启动状态机并跳转到程序的开头。
• StateMachine.exec(instr)
  • 执行单个 PIO 指令。使用 asm_pio_encode 编码 来自给定指令字符串 instr 的指令。
• StateMachine.get(buf=None, shift=0)
  • 从状态机的RX-FIFO中提取一个字。
  • 如果FIFO为空，它会阻塞直到数据到达（即状态机推一个字）。
  • shift为在返回之前右移位数
  • 返回值是“word >> shift”
• StateMachine.put(value, shift=0)
  • 将一个字推送到状态机的 TX FIFO。
  • 如果 FIFO已满，它将阻塞直到有空间（即状态机拉一个字）。
  • shift为在返回之前右移位数
  • 返回值是“word >> shift”
• StateMachine.rx_fifo()
  • 返回状态机的 RX FIFO 中的字数。值为0表示 FIFO 为空。
  • 用于在调用之前检查数据是否正在等待读取StateMachine.get()。
• StateMachine.tx_fifo()
  • 返回状态机的 RX FIFO 中的字数。值为0表示 FIFO 为空。
  • 用于在调用之前检查数据是否正在等待读取StateMachine.put()。
• StateMachine.irq(handler=None, trigger=0|1, hard=False)
  • 返回给定 StateMachine 的 IRQ 对象。

PIO_ASM

1. JMP (condition) target
   1. target ：跳转地址，允许数值0-31，因为PIO只有32条指令空间。
   2. condition ：
      1. ！X OR !Y:
      2. X– OR Y–
      3. X!=Y :
      4. PIN :
      5. !(OSRE):
   • JMP指令作用是将达到某些条件的情况下将程序跳转到指定地址.
   • 当条件达成时，程序就会根据target跳转指定地址
   • 当然也可以不填写条件，则会无条件跳转指定地址。
2. WAIT Polarity Source Index
   1. Polarity: 等待 0 OR 1
   2. Source：
      1. GPIO：绝对GPIO
      2. PIN：引脚映射后的引脚
      3. IRQ：中断标志
   3. Index：
      1. GPIO_num:对应GPIO源，GPIO数值
      2. pin_num:对应pin源，pin数值
      3. IRQ_num:对应IRQ源，指定等待的引脚或者位，这里IRQ_NUM也是支持使用（_rel）
   • WAIT指令作用为在条件达成前等待
3. IN Source,Bitcount
   1. Source ：
      1. PINS
      2. X
      3. Y
      4. NULL
      5. ISR
      6. OSR
   2. Bitcount ：读取位数
   • IN指令作用将数据存入ISR寄存器
4. OUT destination,Bitcount
   1. destination ：
      1. PINS
      2. X
      3. Y
      4. NULL
      5. PINDIRS
      6. PC
      7. ISR
      8. OSR
   2. Bitcount ：读取位数
   • OUT和IN功能相反，指令作用将OSR寄存器输出到目标
5. PUSH (IfFull) (Block/noBloc k)
   1. IfFull,若为1则只有ISR到达阈值，才能推送.
   2. Block,若为1且RX FIFO达到阈值，就会进行将数据推送到ISR中，否则会等待RXFIO达到阈值，若为0则RXFIFO达不到阈值，则不会进行推送。
   • PUSH指令的作用为将ISR中内容推送到RX FIFO和清空ISR
6. PULL (IfEmpty) (Block/noBloc k)
   1. IfEmpty:若为1则只有OSR才会接收TXFIFO的数据。
   2. Block:1则TXFIFO为空则等待TXFIFO.
   • PUSH指令的作用将从TXFIFO数据读出到OSR寄存器。
7. MOV destinationmov,(Operation ),source
   1. destination：
      1. PINS:输出映射
      2. X：
      3. Y：
      4. EXEC：解码寄存器
      5. PC：PC寄存器（JUM）
      6. ISR
      7. EXEC:
   2. source：
      1. PINS:
      2. X
      3. Y
      4. NULL:空，用于清零
      5. STATUS：表示不同状态，如fifo满或者空。
      6. ISR：
      7. OSR：
   3. Operation：
      1. 00：不改变
      2. 01：位取反
      3. 10：位翻转，高低位互换。
   • MOV 指令其作用为将数据从源移动目标寄存器。
8. IRQ (option) irq_num (_rel)
   1. irq_num:0-7 中断标志位
   2. option
      1. set(默认)：设置
      2. nowait(默认)：不等待清除
      3. wait：等待清除后，运行
      4. clear：清除
   3. _rel：若存在则将irq_num和状态机编码sm_num相加并进行模四运行并将高位置1，若状态机2设置中断标识3,中断值则为0X11
   • irq_flag=(sm_id+irq_num) %4 + 0x10
   • IRQ指令作用为设置或者清空中断标识
9. SET destination,data
   1. destination：目标地址
      1. PINS :SET映射引脚
      2. PINDIRS :引脚方向，将第一个映射GPIO1为输出，0为输入
      3. X : 暂存寄存器，暂存数据
      4. Y : 暂存寄存器，暂存数据
   2. data ：数据， 0-31
   • set指令会将数据写入目标地址.通常用于控制设置映射引脚。

例程地址

• Github仓库

MicroPython源码

实操

原理图

Pico 的GPIO4连接到WS2812B的数据输入引脚

• WS2812B是一款单总线驱动的控制电路与发光电路于一体的智能外控LED光源
  - 可采用单线输出方式，串接LED使之输出动作同步；
  - 数据协议采用单极性归零码
  - 因为内部基础控制电路，显示更趋细腻平滑，解决拍摄画面暗条纹问题
  - 数据发送速度可达800Kbps
• WS2812的通讯协议
• 

该协议与之前的协议不太一样,其是通过电平的时长来判断数据为0还是1
如果我们需要发送数据0，需要先拉高电平220ns - 380 ns 紧接着拉低电平580ns-1us

数据1也是相同的原理，

ws2812传输数据结构如表格，且ws2812的数据发送是先进行高位发送，也就是数据是向左移动的

 # 先导入需要的库 import time from machine import Pin import rp2 # WS2812的PIO驱动程序 # 通过asm_pio装饰器初始化pio # 初始化了侧置引脚，因为这里只有一个初始化信息，说明侧置引脚的数量为1 # 数据输出移动方向为由右向做移动 # 开启自动拉取，当OSR达到阈值，自动将TXFIFO中的数据拉取到OSR中 # 拉取阈值为24位，也就是发送数据的长度 @rp2.asm_pio(sideset_init=rp2.PIO.OUT_LOW, out_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_LEFT, autopull=True, Pull_thresh=24) def ws2812(): T1 = 2 T2 = 5 T3 = 3 # wrap_target()和wrap()进行了程序包装，让程序在两者间运行 wrap_target() label("bitloop") out(x, 1) .side(0) [T3 - 1] # 将OSR的数据读取1位取到X寄存器中，并将侧置引脚设置为0，延迟等待2时钟周期 jmp(not_x, "do_zero") .side(1) [T1 - 1] # 如果X中的数值为0则跳转标签“do_zero",反之则顺序执行下一条指令，同时将侧置引脚设置为1，延迟等待1时钟周期 jmp("bitloop") .side(1) [T2 - 1] # 如果顺序运行则会跳转标签"bitloop"并同时将侧置引脚设置为1，延迟等待4时钟周期，用于表示数据1 label("do_zero") # 如果跳转到标签do_zero,执行一条无意义的指令并将侧置引脚设置为0 nop() .side(0) [T2 - 1] # 延迟等待4时钟周期，用于表示数据0，随后返回wrap() wrap() # 主程序 # 创建我们的状态机0使用ws2812程序，时钟频率为8Mhz,基础侧置引脚为4 # 打开状态机 sm = rp2.StateMachine(0, ws2812, freq=8_000_000, sideset_base=Pin(4)) sm.ative(1) # 在循环中，我们不断地改变RGB数值，并通过是sm.put()函数将数组传输给TXFIFO # TXFIFO会自动的被状态机拉取到OSR寄存器中 # 并指向WS2812驱动程序实现不同颜色的呼吸灯 while True: for i in range(0,max_lum): r = i b = max_lum-i rgb=(g<<24) | (r<<16) | (b<<8) sm.put(rgb) time.sleep_ms(10) time.sleep_ms(300) for i in range(0,max_lum): g = i r = max_lum-i rgb=(g<<24) | (r<<16) | (b<<8) sm.put(rgb) time.sleep_ms(10) time.sleep_ms(300) for i in range(0,max_lum): b = i g = max_lum-i rgb=(g<<24) | (r<<16) | (b<<8) sm.put(rgb) time.sleep_ms(10) time.sleep_ms(300) 

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